В статье рассмотрены варианты дизайна многооконных компьютерных приложений, моделирующих движение различных абстрактных объектов (физических моделей): маятников, связанных упругими связями материальных точек и т. п. Эти приложения представляют собой обучающие физике программы, важными элементами которых являются учебные компьютерные модели (визуальные образы объектов, дополненные графиками зависимостей характеристик этих объектов от времени, фазовыми диаграммами и другой графической информацией). Обучающийся, использующий эти приложения, имеет возможность наблюдать за виртуальным образом объекта (образной моделью) «в режиме реального времени», получая субъективно новые знания.
Ключевые слова:виртуальная реальность, виртуальная среда, компьютерная визуализация, учебная информация, дизайн, интерактивность, компьютерная программа, мультимедиа, человеко-машинные системы, субъективная новизна.
В настоящее время в процесс обучения все чаще внедряются такие системы обучения, одним из технических средств которых является компьютер [1; 2; 3; 4; 5; 6; 7]. В самом широком смысле под средством деятельности обычно понимается то, что стоит между ее субъектом и желаемым продуктом [8, с. 20]. В узком смысле под средством могут понимать орудие деятельности. Именно в такой интерпретации чаще всего рассматривают технические средства обучения, к которым следует отнести и компьютерные средства. С другой стороны, к техническим средствам обучения можно отнести совокупность предметов и устройств, которые выполняют информационную, управляющую или тренировочную функцию. В данной статье нас, в первую очередь, будут интересовать технические средства обучения, выполняющие информационную (то есть те, которые служат для передачи учебной информации [3; 4; 5]) и управляющую функцию (те, которые предназначены для управления процессом обучения [1; 2; 6; 7]). К ним мы относим совокупность специфических учебных компьютерных программ (дидактических информационных пособий [3; 4; 6]) и соответствующей аппаратуры для воспроизведения заложенной в этих пособиях информации [8, с. 21]. Ясно, что аппаратура в данном случае нужна для перевода информации из формы, удобной для фиксации и хранения, в форму, доступную для восприятия [1; 2; 6]. Как правило, технические средства обучения применяются в следующих случаях [8, с. 23]:
- органы чувств человека не способны воспринять тот или иной тип сигнала;
- для передачи учебной информации с помощью традиционных способов требуется слишком много времени;
- непосредственно наблюдаемые признаки изучаемого объекта или процесса не отражают его сущности и требуют проведение исследования недоступных для непосредственного наблюдения характеристик;
- непосредственное наблюдение объекта или процесса вообще невозможно или затруднено.
Дидактические информационные средства могут быть [8, с. 25]:
- визуальными (или экранными);
- аудитивными (звуковыми);
- аудиовизуальными (экранно-звуковыми).
Компьютерные средства следует отнести к третьему типу. Однако в рамках этой статьи мы рассмотрим только те особенности этих средств, которые следует отнести к их визуальному восприятию [1; 2]. Некоторые программы, рассмотренные в статье, имеют звуковое сопровождение, но оно в данном случае не играет существенной роли при обучении, а иногда может и мешать (например, при одновременной работе обучающихся за компьютерами в одном кабинете). Рассматриваемые приложения, созданные нами, являются мультимедийными и интерактивными. Существуют различные формы взаимодействия пользователя с мультимедийной информацией [8, с. 36]: управление, получение дополнительной информации и диалог. Кроме того, следует отметить, что средства активного взаимодействия могут предполагать использование виртуальной реальности, которая создает у пользователя иллюзию реального присутствия в мире, изображенном на экране компьютера. Все дидактические информационные средства обладают двойственным (бифункциональным) назначением, то есть содействуют не только решению дидактических задач, но и художественно-эстетических [8, с. 37]. Следовательно, требования к дидактическим информационным средствам должны учитывать педагогико-эргономические параметры, которые зависят от учета свойств и функций, а также условий применения компьютерных приложений для обучения [6]. Кроме того, важно учитывать и взаимосвязь этих средств с другими видами средств обучения (в том числе и с аппаратной частью этих средств, то есть с компьютером). Сразу укажем, что предлагаемые нами приложения должны использоваться на компьютерной технике типа desktop, где в качестве визуализирующих устройств могут использоваться монитор, телевизор или проектор. Интерфейс программ имеет такой вид, что в качестве устройств ввода для интерактивного взаимодействия лучше использовать манипулятор «мышь» и клавиатуру. Предполагается, что программы будут использоваться на компьютерах с операционными системами семейства Windows (Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8). Для планшетных компьютеров такой интерфейс будет не удобен.
Рис. 1. Размещение окон приложений первого типа
В этой статье мы рассмотрим экранный вид приложений одинакового назначения. Это учебные компьютерные программы, моделирующие механическое движение различных тел согласно дифференциальным уравнениям, описывающих физические законы (законы механики). К приложениям предъявлялись следующие основные требования:
- визуализируется образная модель объекта исследования;
- демонстрируются графики зависимостей характеристик движения (координат, проекций скорости, проекций ускорения, кинетической энергии, потенциальной энергии и т. д.) от времени;
- на экране размещены элементы управления моделью (кнопки, указатели, движки, элементы для ввода числовых значений величин и т. д.).
В качестве дополнительного требования мог выступать вывод на экран других графиков зависимостей, отличных от временных (например, фазовых диаграмм и т. п.).
Рис. 2. Пример дизайна приложения, моделирующего свободные колебания двойного вертикального пружинного маятника
Рис. 3. Пример дизайна приложения, моделирующего свободные колебания вертикального пружинного маятника
На рис. 1 показан план размещения окон приложения первого типа. А на рис. 2 и 3 приведен вид окон приложений такого типа, выведенных на экран компьютера. Размер окон зависит от разрешения экрана компьютера и его размера, при этом все пропорции (соотношения горизонтальных размеров окон) сохраняются, а вертикальный размер окон совпадает с вертикальным размером экрана. Окна для визуализации образных моделей находятся слева, окна с элементами управления — справа. В центре размещаются окна для вывода информации в виде графиков.
Рис. 4. Размещение окон приложений второго типа
Окно с элементами управлениями представляет собой двунаправленный (интерактивный) интерфейс, с помощью которого компьютер, получив команды от пользователя и выполнив их, выдает визуальную информацию, приняв которую, пользователь выдает последующие команды с помощью средств, предоставленных в его распоряжение. На самом деле, управление моделью осуществляется пользователем не только с помощью элементов, размещенных в этом окне. Программы имеют еще и так называемый логический интерфейс, который подразумевает наличие в программе набора правил, согласно которым совокупность действий пользователя приводит к необходимой реакции компьютера (виртуальной среды) к выполнению той или иной задачи. Например, приближать и удалять образную модель можно с помощью колесика «мыши», а менять угол зрения — с помощью правой кнопки мыши, когда одновременное ее нажатие и перемещение «мыши» приводит к нужному результату.
Второй тип приложений также имеет три окна: окно для визуализации образной модели, окно для визуализации функциональных зависимостей характеристик модели от времени и других величин, окно для элементов управления и вывода текущих значений величин (рис. 4). Различие состоит в том, что окно для визуализации функциональных зависимостей находится под окном для визуализации образной модели. На рис. 5 и 6 приведены примеры таких приложений, моделирующих волновые явления. Следует отметить, что иногда окно, содержащее элементы управления, разбивается на несколько сегментов с помощью панелей для того, чтобы пользователю программы было легче воспринимать информацию, представленную в данном окне.
Рис. 5. Пример дизайна приложения, моделирующего поведение системы связанных осцилляторов
Рис. 6. Пример дизайна приложения, моделирующего поведение системы связанных осцилляторов
Приложения третьего типа имеют четыре окна: окно для визуализации образной модели, окно для представления функциональных зависимостей характеристик образной модели от времени, окно для визуализации функциональных зависимостей этих характеристик от других величин, окно для элементов управления и вывода текущих значений характеристик образной модели (рис. 7). На рис. 8 показан пример внешнего вида приложений такого типа. Программа моделирует сложение взаимно перпендикулярных механических колебаний.
Рис. 7. Размещение окон приложений третьего типа
Рис. 8. Пример дизайна приложения, моделирующего движение тела, имеющего четыре упругие связи
Приложения четвертого типа имеют пять окон: окно для визуализации образной модели, окно для представления функциональных зависимостей характеристик образной модели от времени, окно для визуализации функциональных зависимостей этих характеристик от других величин, окно для элементов управления и окно для вывода текущих значений характеристик образной модели (рис. 9). На рис. 10, 11 и 12 показаны примеры внешнего вида приложений такого типа. Программы моделируют свободные колебания математического маятника (рис. 10), движение шарика по желобу (рис. 11) и колебания тела на бифилярном подвесе, при которых длина подвеса может изменяться (рис. 12).
Рис. 9. Размещение окон приложений четвертого типа
Рис. 10. Пример дизайна приложения, моделирующего свободные колебания кругового математического маятника
Рис. 11. Пример дизайна приложения, моделирующего движение шарика по желобу
Рис. 12. Пример дизайна приложения, моделирующего свободные колебания тела на бифилярном подвесе
Приложения пятого типа имеют те же пять окон, однако изменен порядок их размещения на экране (рис. 13). На рис. 14 показан пример внешнего вида приложения такого типа. Программа моделирует столкновение математического маятника с бруском, который в результате такого столкновения начинает двигаться по плоской горизонтальной поверхности.
Рис. 13. Размещение окон приложений пятого типа
Рис. 14. Пример дизайна приложения, моделирующего взаимодействие тела на горизонтальной плоскости и математического маятника
Приложения шестого типа имеют те же окна, что и приложения третьего типа. Отличием является лишь то, что они имеют два окна для визуализации функциональных зависимостей от времени (рис. 15). Это бывает необходимо в тех, случаях, когда пользователь должен наблюдать за характеристиками двух объектов, входящих в состав образной модели. На рис. 16 и 17 показаны примеры внешнего вида таких приложений. Программы моделируют свободные колебания двойного математического маятника (рис. 16) и колебания системы, состоящей из двух математических маятников с упругой связью (рис. 17).
Рис. 15. Размещение окон приложений шестого типа
Рис. 16. Пример дизайна приложения, моделирующего колебания двойного математического маятника
Рис. 17. Пример дизайна приложения, моделирующего движение системы двух упруго связанных математических маятников
В заключении отметим, что при разработке приложений нами также учитывалась такая характеристика пользовательского интерфейса, как безопасность. Обеспечение безопасности пользовательских интерфейсов осуществляется с помощью разработки моделей информационной безопасности при условии комплексного учета информационных, функциональных, психофизиологических и экологических аспектов безопасности. Это связано, прежде всего, с включением информационного фактора в состав учитываемых факторов среды человеко-машинных систем и информационным характером происходящих на уровне интерфейса пользователя процессов. Учитывались следующие факторы: цветовое оформление (не использовались очень яркие, раздражающие и сильно возбуждающие цвета), громкость и неожиданность для пользователя возникающих звуковых эффектов (громкость должна быть небольшой, а эффект ожидаемым), напряженность и направленность внимания пользователя и т. д. Также при проектировании интерфейса в разрабатываемых нами человеко-машинных системах мы стремились свести к минимуму следующие факторы:
- искажение воспринимаемой пользователем информации за счет ее зашумления второстепенными источниками информационной среды;
- потеря или искажение воспринимаемой пользователем информации из-за физической, семантической или синтаксической несогласованности ее представления пользователю;
- искажение представлений пользователя о реальном состоянии образной модели за счет скрытых информационных воздействий и неадекватное принятие им решений в процессе решения задач в рамках человеко-машинной системы.
Литература:
1. Данилов О. Е. Дидактическая модель формирования понятия поля физической величины с помощью компьютерной визуализации / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 6. — С. 19–28.
2. Данилов О. Е. Дидактическая модель формирования понятия поля физической величины с помощью компьютерной визуализации на основе таксономии Герлаха-Салливана / О. Е. Данилов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». — 2013. — № 3. — URL: http://ekoncept.ru/2013/13053.htm.
3. Данилов О. Е. Изучение интерференции с помощью компьютерного моделирования / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 9. — С. 50–58.
4. Данилов О. Е. Компьютерная визуализация распределений физических величин в пространстве / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 11. — С. 582–587.
5. Данилов О. Е. Концепция метода компьютерной визуализации полей физических величин / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 4. — С. 88–97.
6. Данилов О. Е. Методика изучения интерференции волн от двух точечных источников с помощью компьютерного моделирования / О. Е. Данилов // Молодой ученый. — 2013. — № 2. — С. 351–358.
7. Данилов О. Е. Формирование умения проводить теоретическое исследование при изучении распределения физической величины в пространстве с помощью компьютерной модели / О. Е. Данилов // Дистанционное и виртуальное обучение. — 2013. — № 7. — С. 84–94.
8. Смирнов А. В. Методика применения информационных технологий в обучении физике: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / А. В. Смирнов. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 240 с.
